无线充电磁耦合器的屏蔽层优化设计实验平台_卢哲.pdf

ISSN 1006 7167CN 31 1707/TESEACH AND EXPLOATION IN LABOATOY第 42 卷 第 1 期Vol 42 No12023 年 1 月Jan 2023DOI:10 19927/j cnki syyt 2023 01 015无线充电磁耦合器的屏蔽层优化设计实验平台卢哲，王春芳，郑建芬，江加辉，陈金(青岛大学 电气工程学院，山东 青岛 266071)摘要:为减少无线充电系统的体积重量，增强磁耦合器的抗饱和能力，提出了一种由铁基纳米晶带材和铝板构成的复合屏蔽层，以电动汽车无线充电系统的磁耦合器为模拟对象，搭建实验平台并对所提结构进行验证。根据铁氧体与纳米晶带材的优缺点，用有限元法结合电磁场仿真软件 Maxwell 进行了静态参数测量实验、临近饱和厚度优化实验和效率分析实验。仿真与实验结果表明，所提出的纳米晶带材加铝板的屏蔽结构，在临近饱和状态下，体积可以减小到传统铁氧体屏蔽层的1/4，且当输出功率达到 1.5 kW 时，传输效率高达 90.1%。所设计的实验平台具有丰富的拓展性，可广泛推广应用于电动汽车等多种无线充电领域。关键词:无线充电;电动汽车;磁耦合器;屏蔽层;铁基纳米晶带材中图分类号:TM 724文献标志码:A文章编号:1006 7167(2023)01 0075 04Experimental Platform for Optimal Design of ShieldingLayer of Wireless Charging Magnetic CouplerLU Zhe，WANG Chunfang，ZHENG Jianfen，JIANG Jiahui，CHEN Jin(College of Electrical Engineering，Qingdao University，Qingdao 266071，Shandong，China)Abstract:In order to reduce the volume and weight of the wireless charging system and enhance the anti-saturationability of the magnetic coupler，a composite shielding layer composed of iron-based nanocrystalline strip and aluminumplate is proposed Taking the magnetic coupler of the wireless charging system of electric vehicle as the simulationobject，an experimental platform is built and the proposed structure is verified According to the advantages anddisadvantages of ferrite and nanocrystalline strip，the static parameter measurement experiment，the near-saturationthickness optimization experiment and the efficiency analysis experiment are carried out by the finite element methodcombined with the electromagnetic field simulation software Maxwell The simulation and experimental results show thatthe volume of the proposed shielding structure of nanocrystalline strip and aluminum plate can be reduced to 1/4 of thetraditional ferrite shielding layer in the near-saturation situation，and when the output power reaches 1.5 kW，thetransmission efficiency is as high as 90.1%The experimental platform has high expansibility and can be widely used invarious wireless charging fields such as electric vehiclesKey words:wireless charging;electric vehicle;magnetic coupler;shielding layer;iron-based nanocrystalline strip收稿日期:2022-05-23基金项目:国家自然科学基金项目(51877113);教育部产学合作协同育人项目(202002109017)作者简介:卢哲(1996 )，男，山东济南人，硕士生，研究方向为无线电能传输技术。Tel:[phone];E-mail:lzdhr8805987 sina com通信作者:王春芳(1964 )，男，山西忻州人，教授，从事电能变换技术与新能源开发技术方面的研究。Tel:[phone];E-mail:qduwcf163 com0引言近年来，电动汽车无线充电技术是全世界的研究热点1-2，磁耦合器作为无线充电系统的核心部分3，由能量发射线圈、能量接收线圈及相应的电磁屏蔽层组成4。为了增强耦合性能并减少电磁泄漏5-6，目前的屏蔽层中使用了大量铁氧体与铝材，造成了磁耦第 42 卷合器成本高、体积大、质量重7-8，制约了无线充电技术的发展。因此，需要对屏蔽层进行优化设计9-10 以减少成本、体积和重量，文献 11中通过增加反射线圈来达到近似的电磁屏蔽效果以减少铁氧体用量，但增加了铜材用量;文献 12 中针对螺线管线圈的屏蔽层结构进行优化，将满铺的铁氧体改为多个铁氧体条均匀分布的形式减小了磁耦合器的成本重量，但耦合性能变弱。考虑到铁氧体易碎易饱和等问题13，也有一些研究开始寻找新材料来代替铁氧体14。本文结合电动汽车无线充电的技术需求15，提出了一种由铁基纳米晶带材和铝板组成的复合屏蔽层结构，以解决目前磁耦合器成本高昂、体积大和质量重的问题。用 SolidWorks、UG 等建模软件设计“8”字形 DD(Double D，DD)线圈和骨架模型;通过切片软件 Cura和 3D 打印机制作线圈骨架并绕制线圈，并运用设计的屏蔽层性能测试实验平台进行测试;根据纳米晶带材的特性，进行前置处理，同时结合电磁场仿真软件Maxwell 和有限元分析方法16 及设计的实验平台，进行静态参数测量实验和临近饱和优化实验，对比不同屏蔽层的性能。1铁氧体与铁基纳米晶带材的特性本文引入纳米晶带材来替代铁氧体，并对比二者的特性。(1)铁氧体的缺点。铁氧体的饱和磁感应强度仅有 0.5T，一旦发生磁饱和，磁导率会随着磁场强度的增大而迅速变小，这将极大地影响线圈的自感和互感，从而使系统丢失谐振关系，导致系统输出的电压电流发生变化，对车载电池造成很大损害。一般为了避免发生饱和，往往会增加铁氧体的厚度，这就导致整个磁耦合器的成本、重量和体积大幅提高。另外铁氧体本身脆性大，安置在汽车底盘时，路面飞石或沙砾的冲击会导致其碎裂，碎裂产生的气隙也会影响其磁性能，造成失谐现象的发生。(2)铁氧体与铁基纳米晶带材的特性对比。图 1所示为铁氧体与铁基纳米晶带材的实物图，其中图 1(a)是碎裂状态的铁氧体。图 1(b)是纳米晶带材，其具有以下几个特性:柔韧性，纳米晶带材经过大幅弯折仍保持完好，具有较好的柔韧性，有效避免了运输、安装和使用过程中的破损问题;抗饱和特性，纳米晶带材的饱和磁感应强度 Bs高达1.25 T，是铁氧体的 2 倍有余，大大增强了抗饱和能力;高直流偏磁稳定性，纳米晶带材的磁化曲线在受到直流分量干扰时，能够保持稳定不变，不会发生大范围偏移;宽频率适应性，纳米晶带材能够在较大的频率范围内保持出色的磁导率特性，可广泛应用于低中高等不同频段;高温度稳定性，纳米晶带材的居里温度 Tc为 560，高温环境中带材的磁性能仍能保持稳定。表 1 所列为铁氧体与纳米晶带材的磁性能对比。(a)铁氧体(b)铁基纳米晶带材图 1铁氧体与铁基纳米晶带材实物图表 1铁氧体与铁基纳米晶带材磁性能对比磁性能锰锌铁氧体纳米晶带材饱和磁感应强度，Bs/T050125矫顽力，Hc/(Am1)800.8初始磁导率，1/(kHm1)2880最大磁导率，max/(kHm1)6400居里温度，Tc/220560电阻率，/(cm)108109130(3)纳米晶带材的前置处理过程。纳米晶带材的电阻率很低，未经处理直接应用在高频磁场中，会产生很大的涡流损耗。本文给出了纳米晶带材的前置处理过程:退火，在氮气环境中对带材进行退火处理，经过热处理后的带材具有优异的电磁性能，且脆性提高易于粉碎;机械碾压，图 2 所示为纳米晶带材的精细化粉碎示意图，由图可见，带材经过机械碾压，碎裂明显增多，碾压前带材中的大涡流被分割成多个小涡流，涡流损耗大大降低。图 2纳米晶带材精细化粉碎示意图(4)纳米晶磁片的内部结构。图 3 所示为纳米晶磁片的内部结构和交错无缝缝合示意图，由图 3(a)可见，磁片内部的纳米晶带材两侧附加双面黏合膜，并在最外层添加黑膜和 PET 膜作为保护层;图 3(b)所示为纳米晶带材的交错无缝缝合过程，将带材无缝拼接成所需尺寸大小，然后两层之间横纵交错叠放，从而减小拼接间隙对漏磁的影响，同时增强纳米晶磁片的电磁一致性。2Maxwell 3D 仿真模型与实验平台对比分析纳米晶带材与铁氧体的特性，经过处理67第 1 期卢哲，等:无线充电磁耦合器的屏蔽层优化设计实验平台图 3纳米晶磁片结构和交错无缝缝合示意图后的纳米晶带材确实拥有比铁氧体更优异的性能，本文需进一步运用仿真模型和实验平台研究纳米晶屏蔽层的性能。(1)磁耦合器 3D 仿真模型。本文搭建仿真模型所用的主要软硬件:Intel()i5-10300H CPU 的 PC机，Windows10 操作系统;UG NX10.0、SolidWorks2020建模软件;Maxwell 2021 有限元分析软件进行电磁场。图 4 所示为磁耦合器中线圈和屏蔽层的 3D 仿真模型，其中发射端磁屏蔽材料为铁氧体，厚度为 2.5mm，长宽尺寸为 375 mm 320 mm;DD 线圈由 500 股利兹线绕成，线径为 3 mm，长宽尺寸为340 mm 280mm，匝数为 12 匝;铝板厚度为 0.5 mm，长宽尺寸为500 mm 400 mm;接收端可替换式磁屏蔽层长宽尺寸为 250 mm 200 mm。考虑到汽车底盘距地面安装的发射线圈的高度，传输距离设置为 150 mm;由树脂材料的硬度和精度及胶带厚度，骨架厚度设为 1.5 mm，线圈与磁屏蔽材料的间距为 1.5 mm，铝板与磁屏蔽材料的间距设置为 1 mm。图 4线圈与屏蔽层的 3D 仿真模型(2)磁耦合器屏蔽层优化设计实验平台。本文建立实验平台所用的主要软硬件:电路仿真软件 Saber2016;DSOX1102G 型示波器，2 GSa/s，KEYSIGHT 公司;DS1102E 型示波器，1 GSa/s，IGOL 公司;4263B型 LC 电桥，Agilent 公司;8616 型电子负载，ITECH公司;E4 型红外热像仪，FLI 公司;万用表;滑动变阻器。本文搭建的无线充电磁耦合器屏蔽层优化设计实验平台如图 5 所示。图 5(a)所示为无线充电磁耦合器屏蔽层优化设计实验平台的整体实物图，图 5(b)为无线传能装置的实物图，由图可见，3D 打印机制作的骨架上绕制 DD 线圈，发射线圈下方及接收线圈上方铺设电磁屏蔽层，发射端屏蔽层为固定，接收端为可替换式屏蔽层，实验中可用其他磁屏蔽材料或者不同层数及厚度的屏蔽结构进行替换测试。1-万用表;2-红外热像仪;3-LC电桥;4-示波器 1;5-示波器 2;6-电子负载;7-全桥逆变器;8-原边谐振电容;9-副边谐振电容;10-整流桥;11-控制板;12-无线传能装置;13-电子负载。1-纳米晶带材;2-铁氧体;3-铝板;4-接收端可替换式屏蔽层;5-能量接收线圈;6-能量发射线圈;7-发射端铁氧体屏蔽层。(a)整体实验平台(b)无线传能装置图 5无线充电磁耦合器屏蔽层优化设计实验平台3仿真与实验本文基于搭建的实验平台，开展静态参数测量实验、临近饱和状态厚度优化实验和无线充电装置效率分析实验，验证纳米晶屏蔽层替换铁氧体屏蔽层的可行性。3.1静态参数测量实验纳米晶带材在经过退火及精细化粉碎后，磁导率 会有所下降，对线圈自感、互感和耦合系数等静态参数的增强效果将会减弱，减弱程度是否在可接受范围内成为衡量纳米晶带材能否作为屏蔽材料的关键。本文采用 1 mm 度的纳米晶屏蔽层和铁氧体屏蔽层进行对比，其中纳米晶磁片的相对磁导率 r=800，铁氧体的相对磁导率 r=2 800。针对空心线圈、铁氧体屏蔽、铁氧体加铝板屏蔽和纳米晶带材加铝板屏蔽 4 种情况下的各种线圈参数进行测量，记录 LC 电桥的测量值，实验所得结果见表 2 所列。表 2不同屏蔽结构对线圈静态参数的影响参数空心线圈铁氧体铁氧体+铝板纳米晶带材+铝板发射线圈自感，LP/H8649145714021377接收线圈自感，LS/H8651135112931279线圈间互感，M/H107628727326 8耦合系数，k0124020502030202注:k=M/LPL槡S8。由表 2 可知:铁氧体对线圈静态参数有着显著77第 42 卷增强效果，相比空心线圈，LP、LS、M、k 分别提高了68.46%、56.17%、166.73%、65.32%;铝板的加入，对线圈的各项参数略有抑制;纳米晶带材对线圈参数的增强效果略弱于铁氧体，对 LP、LS、M、k 的增强效果略微降低了 1.78%、1.01%、1.83%、0.49%，降低程度在可接受范围内，因此纳米晶带材加铝板的屏蔽结构具有一定的可行性。3.2临近饱和状态厚度优化实验为确定接近饱和状态时不同屏蔽材料的最小厚度，运用仿真软件 Maxwell 对厚度参数的大小进行有限元计算分析，由常见的铁氧体与纳米晶磁片的厚度，结合输出功率，确定铁氧体厚度 hferr=0.5 2.5 mm，仿真步长设置为 0.1 mm;纳米晶磁片厚度 hnano=0.1 1 mm，步长设置为 0.05 mm。厚度优化的截止条件是磁屏蔽材料上的最大磁密 Bmax达到临界饱和状态，即接近饱和磁感应强度 Bs。在 Maxwell 中对磁耦合器进行基于趋肤效应的网格划分，然后通过有限元方法，对磁耦合器进行仿真分析，得到如图 6 所示的铁氧体屏蔽层与纳米晶屏蔽层的磁密分布图。Bmax:1.248 7 T，hnano:0.25 mmBmax:0.497 4T，hferr:1.0 mm(a)纳米晶层内部磁密(b)铁氧体层内部磁密图 6铁氧体屏蔽层与纳米晶屏蔽层磁密分布图由图 6 可知，当纳米晶带材与铁氧体都临近饱和状态时，此时铁氧体层最小厚度为 1 mm，而纳米晶层最小厚度为 0.25 mm，仅为铁氧体厚度的 1/4，表明在输入电流相同的情况下，相同厚度的纳米晶屏蔽层可以承受更大磁场强度，有更好的抗饱和能力。应用在相同功率的充电系统中，纳米晶带材加铝板的复合屏蔽层可以做到更薄更轻，成本也相应下降，而且解决了铁氧体易碎的问题。3.3无线充电装置效率分析效率是无线充电系统实际应用的关键指标，为此将全桥逆变器、整流桥、谐振电容等电路部分与磁耦合器连接进行上电实验:用示波器观察输出波形和软开关情况;用红外热像仪观测开关管和线圈温升;通过电子负载观察输出功率。实验中，当输出功率达到 1.5kW 时，1 mm 厚的铁氧体加铝板屏蔽结构，充电效率为 91.5%;0.5 mm 厚的纳米晶带材加铝板屏蔽结构，充电效率为 90.1%，其下降程度在可接受范围内。因此，所提出的纳米晶带材加铝板的屏蔽形式，在保持效率基本不变的情况下，实现了更轻的重量，更好的柔韧性，相比传统铁氧体屏蔽层具有很大优势。4结语本文结合纳米晶带材的内部结构、磁特性和物理特性，通过多种软件与硬件的结合，搭建了一套用于无线充电磁耦合器屏蔽层优化设计的实验平台，并对所提出的纳米晶带材加铝板的屏蔽结构进行验证，仿真与实验结果表明:纳米晶带材屏蔽层，在临近饱和状态下，体积可以减小到传统铁氧体屏蔽层的 1/4，且当输出功率达到 1.5 kW 时，系统的传输效率高达 90.1%，纳米晶带材可以替代铁氧体成为新的磁屏蔽材料，更加适应于高功率密度的无线充电系统;另外所搭建的实验平台具有丰富的拓展性，通过替换接收端屏蔽层，便可利用 LC 电桥测量不同屏蔽材料、不同层数及厚度的屏蔽结构以及复合屏蔽材料对线圈静态参数和传输效率的影响，该实验平台可广泛推广应用于电动汽车、巡检机器人、自动导引小车等无线充电领域。参考文献(eferences):1Ahmad A，Alam M S，Chabaan A comprehensive review ofwireless charging technologies for electric vehicles J IEEETransactions on Transportation Electrification，2018，4(1):38-632Machura P，Li Q A critical review on wireless charging for electricvehicles J enewable Sustainable Energy eviews，2019，104:209-2343Sun L Z，Ma D G，Tang H J A review of recent trends in wirelesspower transfer technology and its applications in electric vehiclewireless charging J enewable Sustainable Energy eviews，2018，91:490-5034王春芳，岳睿，李厚基，等 基于单管电路的恒流恒压无线充电系统研究J 电工技术学报，2021，36(22):4637-46475Pearce M G S，Covic G A，Boys J T obust ferrite-less double Dtopology for roadway IPT applications J IEEE Transactions onPower Electronics，2019，34(7):6062-60756Deng J J，Li W H，Nguyen T D，et al Compact and efficient bipolarcoupler for wireless power chargers:design and analysisJ IEEETransactions on Power Electronics，2015，30(11):6130-61407Jayalath S，Khan A Design，challenges，and trends of inductivepower transfer couplers for electric vehicles:a review J IEEEJournal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics，2021，9(5):6196-62188Xu H Q，Wang C F，Xia D W，et al Design of magnetic coupler forwireless power transfer J Energies，2019，12(15):30009Yao Y S，Gao S H，Wang Y J，et al Design and optimization of anelectric vehicle wireless charging system using interleaved boostconverter and flat solenoid couplerJ IEEE Transactions on PowerElectronics，2021，36(4):3894-3908 10Budhia M，Covic G A，Boys J T Design and optimization of circularmagnetic structures for lumped inductive power transfer systemsJIEEETransactionsonPowerElectronics，2011，26(11):3096-3108(下转第 93 页)87第 1 期李韬，等:基于改进粒子 BPF 算法的室内自主导航灭火机器人6结语本文针对当前灭火机器人仍需进行人工干预而造成的火灾处理不及时问题，提出了一种利用改进BPF 算法，进行自发性建图、定位和导航的智能室内灭火机器人。该灭火机器人搭载 OS 操作系统，利用改进 BPF 算法完成室内真实环境的二维栅格地图构建，减少了采样粒子数和内存消耗。使用 WiFi 的多传感器局域网通信技术，获取分布式火焰传感器的火焰位置坐标。并在接收到火焰位置坐标时，利用 A*和DWA 算法完成机器人的路径规划。实验结果表明，该灭火机器人可在不进行人工干预的情况下，在收到火焰位置坐标时，自动导航的火焰发生位置，及时消灭火焰，为室内小型智能灭火机器人提供了一种可行的解决方案。参考文献(eferences):1陈庆暖 消防灭火机器人及其应用 J 消防科学与技术，2018，37(5):644-6462黄小龙，郭一冉，高阳臻，等 消防机器人研究进展与分析J 消防科学与技术，2021，40(10):1501-15043孙宁，裴文良，闵桂元，等 消防灭火机器人设计及应用J 消防科学与技术，2018，37(7):942-9444陶永，王田苗，刘辉，等 智能机器人研究现状及发展趋势的思考与建议 J 高技术通讯，2019，29(2):149-1635胡春旭 OS 机器人开发实践M 北京:机械工业出版社，2018:1-566Cadena C，Carlone L，Carrillo H，et al Past，present，and future ofsimultaneous localization and mapping:Toward the robust-perceptionageJ IEEE Transactions on obotics，2016，32(6):1309-13327宋晓茹，任怡悦，高嵩，等 移动机器人路径规划综述J 计算机测量与控制，2019，27(4):1-5，178阮志虎 两轮差速驱动移动机器人的运动模型与控制研究D重庆:重庆大学，20159Grisetti G，Stachniss 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